CN111326534A - 光电转换设备、光电转换***和可移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电转换设备、光电转换***和可移动体。光电转换设备包括：多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部以及布置在共同的活性区域中的第一和第二晶体管。活性区域包括部分区域，该部分区域包括沿第一方向延伸的第一区域、连接到第一区域并且沿第二方向延伸的第二区域以及连接到第二区域并且沿第三方向延伸的第三区域。在平面图中，第一像素的部分区域布置在第一像素的第一晶体管的栅极和第二像素的电荷保持部之间，并且布置在第一像素的第二晶体管的栅极和第二像素的电荷保持部之间。在与部分区域重叠的区域中布置遮光构件。

Description

光电转换设备、光电转换***和可移动体
技术领域
本发明涉及光电转换设备、包括光电转换设备的光电转换***以及包括光电转换设备的可移动体。
背景技术
已知的光电转换设备包括各自具有光电转换部的像素、被配置为保持光电转换部中生成的电荷的电荷保持部、以及被自电荷保持部传送电荷的浮动扩散部。日本特开2009-272374讨论了将由被光入射的各像素中包括的光电转换部累积的信号电荷传送至电荷保持部的技术。在日本特开2009-272374中讨论的技术中，信号电荷从电荷保持部向浮动扩散部的传送是逐行进行的。如果在电荷保持部保持信号电荷的状态下光入射到电荷保持部上，则发生信号失真，这导致图像质量恶化。如在日本特开2009-272374中所讨论的，为了防止光入射到电荷保持部上，电荷保持部通过主要由金属制成的遮光构件遮蔽光。
在如日本特开2009-272374中所讨论的设置遮光构件的情况下，遮光构件需要在与设置有放大晶体管等的活性区域相对应的位置处设置用于连接接触插头的开口。结果，光可能入射到电荷保持部上。
发明内容
本发明涉及通过适当布置活性区域、电荷保持部和遮光构件，使光不太可能入射到电荷保持部上。
根据本发明的方面，一种光电转换设备包括：多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部、以及第一晶体管和第二晶体管，其中所述电荷保持部布置于在平面图中不与所述光电转换部重叠的区域中并且被配置为保持所述光电转换部中所生成的电荷，电荷从所述电荷保持部传送至所述浮动扩散部，所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在共同的活性区域中，其中，所述活性区域包括作为所述第一晶体管的一部分和所述第二晶体管的一部分的部分区域，其中，所述部分区域包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到所述第一区域并且在平面图中沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域、以及连接到所述第二区域并且在平面图中沿与所述第一方向相反的第三方向延伸的第三区域，所述第三区域是所述第二晶体管的一部分，其中，在平面图中，所述多个像素中的第一像素的所述部分区域布置在所述第一像素的第一晶体管的栅极和所述多个像素中的与所述第一像素相邻的第二像素的电荷保持部之间，并且布置在所述第一像素的第二晶体管的栅极和所述第二像素的电荷保持部之间，其中，所述第一晶体管是复位晶体管，其中，所述第二晶体管是放大晶体管，以及其中，在平面图中与所述部分区域重叠的区域中布置遮光构件。
根据本发明的另一方面，一种光电转换设备包括：多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部、以及第一晶体管和第二晶体管，其中所述电荷保持部布置于在平面图中不与所述光电转换部重叠的区域中并且被配置为保持所述光电转换部中所生成的电荷，电荷从所述电荷保持部被传送至所述浮动扩散部，所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在共同的活性区域中，其中，所述活性区域包括作为所述第一晶体管的一部分和所述第二晶体管的一部分的部分区域，其中，所述部分区域包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到所述第一区域并且在平面图中沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域、以及连接到所述第二区域并且在平面图中沿与所述第一方向相反的第三方向延伸的第三区域，所述第三区域是所述第二晶体管的一部分，其中，在平面图中，所述多个像素中的第一像素的所述部分区域布置在所述第一像素的第一晶体管的栅极和所述多个像素中的与所述第一像素相邻的第二像素的电荷保持部之间，并且布置在所述第一像素的第二晶体管的栅极和所述第二像素的电荷保持部之间，其中，在平面图中与所述部分区域重叠的区域中布置遮光构件，以及其中，所述遮光构件与在与所述第二像素的电荷保持部重叠的区域中布置的遮光构件连续。
根据本发明的又一方面，一种光电转换设备包括：多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部、第一晶体管和第二晶体管、以及第三晶体管，其中所述电荷保持部布置于在平面图中不与所述光电转换部重叠的区域中并且被配置为保持所述光电转换部中所生成的电荷，电荷从所述电荷保持部被传送至所述浮动扩散部，所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在共同的活性区域中，所述第三晶体管连接到所述浮动扩散部并且被配置为改变所述浮动扩散部的电容值，其中，所述活性区域包括作为所述第一晶体管的一部分和所述第二晶体管的一部分的部分区域，其中，所述部分区域包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到所述第一区域并且在平面图中沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域、以及连接到所述第二区域并且在平面图中沿与所述第一方向相反的第三方向延伸的第三区域，所述第三区域是所述第二晶体管的一部分，其中，在平面图中，所述多个像素中的第一像素的所述部分区域布置在所述第一像素的第一晶体管的栅极和所述多个像素中的与所述第一像素相邻的第二像素的电荷保持部之间，并且布置在所述第一像素的第二晶体管的栅极和所述第二像素的电荷保持部之间，其中，在平面图中与所述部分区域重叠的区域中布置遮光构件。
根据本发明的又一方面，一种光电转换***包括：根据所述光电转换设备；以及处理设备，其被配置为处理来自所述光电转换设备的信号。
根据本发明的又一方面，一种可移动体包括：根据所述光电转换设备；距离信息获取单元，其被配置为根据基于来自所述光电转换设备的信号的视差信息来获取与到对象物的距离有关的距离信息；以及控制单元，其被配置为基于所述距离信息控制所述可移动体。
根据以下参考附图对典型实施例的描述，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据第一典型实施例的光电转换设备的结构示例的框图。
图2是示出根据第一典型实施例的光电转换设备的像素电路的电路图。
图3是示出驱动根据第一典型实施例的光电转换设备的示例的时序图。
图4是示出根据第一典型实施例的光电转换设备的像素的布置图。
图5是沿图4中的A-B线截取的示意性截面图。
图6是根据第一典型实施例的光电转换设备的变形例的像素布置图。
图7是沿图6中的C-D线截取的示意性截面图。
图8是示出根据第二典型实施例的光电转换设备的像素电路的电路图。
图9是示出根据第二典型实施例的光电转换设备的像素的布置图。
图10是示出根据第三典型实施例的光电转换设备的像素电路的电路图。
图11是示出根据第三典型实施例的光电转换设备的像素的布置图。
图12是示出根据第四典型实施例的光电转换设备的像素的截面图。
图13是示出根据第五典型实施例的光电转换***的示意图。
图14A和14B是各自示出根据第六典型实施例的可移动体的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图描述执行本发明的模式。以下典型实施例中描述的结构仅是示例，并且本发明不限于图中所示的结构。为了清楚起见，图中所示的构件的大小和位置关系等可能会被夸大。
在以下典型实施例中，相同的组件用相同的附图标记表示，并且可以省略对其的描述。
下面的典型实施例示出将电子用作信号电荷的情况。然而，也可以通过使用空穴作为信号电荷来获得同样的有利效果。在以下典型实施例中，第一导电型的半导体区域是利用电子作为多数载流子的区域，以及第二导电型的半导体区域是利用空穴作为多数载流子的区域，并且反之亦然。
下面将描述本发明的第一典型实施例。下面将参考图1至5描述根据本典型实施例的光电转换设备100。图1是示出光电转换设备100的框图。图2是示出包括在光电转换设备100的像素区域1中的三行三列像素10的等效电路图。图3是示出光电转换设备100的操作的驱动时序图。图4是示出图2所示的像素的布置图。图5是沿图4中的A-B线截取的示意性截面图。
下面将简要描述光电转换设备100的结构和操作。
如图1所示，光电转换设备100包括多个像素10被二维布置的像素区域1。布置与多个像素10的各个列相对应的信号线。信号线各自连接至读出电路30。读出电路30包括与多个像素10的各个列相对应的列电路。各列电路对从像素10输出的信号进行降噪处理、放大处理和模数(AD)转换处理等。
如图2的等效电路图所示，各像素10至少包括光电转换部PD、电荷保持部MEM和浮动扩散部FD，其中电荷从电荷保持部MEM传送至浮动扩散部FD。将光电转换部PD、电荷保持部MEM和浮动扩散部FD布置在平面图中不重叠的区域中。各像素10中还包括第一传送晶体管GS和第二传送晶体管TX，第一传送晶体管GS将电荷从光电转换部PD传送到电荷保持部MEM，第二传送晶体管TX将电荷从电荷保持部MEM传送到浮动扩散部FD。各像素10还包括用于从光电转换部PD释放电荷的放电晶体管OG。在本典型实施例中，各像素10至少包括用于初始化浮动扩散部FD的复位晶体管RS和用于输出与浮动扩散部FD的电位相对应的信号的放大晶体管SF。各像素10还包括用于将放大晶体管SF连接到各信号线的选择晶体管SL。像素10中设置的各晶体管包括例如金属氧化物半导体(MOS)晶体管。在本典型实施例中，第一晶体管对应于复位晶体管RS，以及第二晶体管对应于放大晶体管SF。
图3示出用于驱动布置在像素区域1的第n-1行、第n行和第n+1行中的多个像素10的定时。
在时刻t1，将像素区域1中设置的、并且被入射光的各像素10中的放电晶体管OG的栅极控制为断开，使得可以在各像素10中包括的光电转换部PD中累积电荷。
在时刻t2之前，各像素10中的第二传送晶体管TX接通，并且电荷从电荷保持部MEM传送到浮动扩散部FD。在时刻t2，电荷保持部MEM的复位完成。在时刻t3，像素区域1中的各像素10的第一传送晶体管GS的栅极接通，并且在光电转换部PD中累积的电荷被传送到电荷保持部MEM。此后，在时刻t4，第一传送晶体管GS的栅极断开。在光电转换部PD中在从时刻t1起至时刻t4止的时间段期间入射的光被光电转换成电子，并且电子被累积然后传送到电荷保持部MEM中。该操作实现全局快门。
此外，在从时刻t5起至时刻t10为止的时间段期间，各个行中的复位晶体管RS依次断开，并且各个行中的选择晶体管SL和第二传送晶体管TX依次接通。结果，执行将各行中的保持电荷从电荷保持部MEM传送到浮动扩散部FD的操作。此时，通过放大晶体管SF和选择晶体管SL从图2中所示的像素输出单元OUT读出基于传送到浮动扩散部FD的电荷量的信号。电流源(未示出)连接到图1中所示的各信号线。当选择晶体管SL接通时，电流流过放大晶体管SF，从而使得能够进行源极跟随器的操作。换句话说，放大晶体管SF作为源极跟随器电路而操作。
在图1中所示的读出电路30对从像素输出单元OUT读出的信号进行降噪处理和AD转换之后，输出电路90通过数字信号处理器(DSP)80将信号读出到光电转换设备100的外部。此后，在时刻t11之后重复在从时刻t1起至时刻t10为止的时间段期间进行的操作。时刻t1和时刻t11期间的时间段与一帧时间段相对应。这里所描述的一帧时间段是指从垂直扫描电路20开始对多个像素10的单个行进行扫描(垂直扫描)的时刻起到完成对最后一行的垂直扫描的时刻为止的时间段。例如，在将像素阵列划分为多个区并从各区读取信号的情况下，一帧时间段可以是从垂直扫描电路20一次选择行的时刻起到垂直扫描电路20再次选择该行的时刻为止的时间段。在光电转换设备100是摄像装置的情况下，一帧时间段可以是从用于生成一个图像的光电转换部的电荷累积时间段的开始时刻起到完成从像素区域1读取像素信号的时刻为止的时间段。
这里所描述的操作仅是示例，并且在进行全局电子快门操作的情况下，可以根据需要而改变。例如，可以在时刻t10之前设置时刻t11以提高帧频。换句话说，特定帧时间段可以与另一帧时间段重叠。例如，在特定帧时间段内，在完成从光电转换部PD到电荷保持部MEM的电荷传送之后，从各像素中的电荷保持部MEM向像素输出单元OUT输出电荷的时间段可以与另一帧时间段中的在光电转换部PD中累积电荷的时间段重叠。
图3示出针对各行进行从电荷保持部MEM向读出电路30的信号的读取的示例。然而，可以针对各区域进行从电荷保持部MEM向读出电路30的信号的读出。例如，可以针对各像素控制复位晶体管RS和选择晶体管SL，并且可以针对各区域进行从电荷保持部MEM到读出电路30的信号的读取。
图4示出图示光电转换设备100中的一些像素10的平面布置图的示例。图2的像素电路图所示的组件布置在半导体基板上。例如，光电转换部PD、电荷保持部MEM、浮动扩散部FD和各晶体管的沟道布置在半导体基板上。
在图4所示的示例中，各像素中包括的三个活性区域以使得活性区域彼此分开的方式布置。在设置有诸如复位晶体管RS等的各晶体管的沟道的活性区域中，设置多个第一导电型的半导体区域(第一半导体区域)。在各晶体管的沟道的活性区域中，设置多个第二导电型的半导体区域(第二半导体区域)作为各晶体管的沟道。在本典型实施例中，多个第二半导体区域至少包括用作复位晶体管RS的沟道的第二半导体区域和用作放大晶体管SF的沟道的第二半导体区域。布置有光电转换部PD的活性区域包括第一导电型的半导体区域(第三半导体区域)。布置有光电转换部PD的活性区域包括第二导电型的第四半导体区域。布置有电荷保持部MEM的活性区域包括第一导电型的半导体区域(第五半导体区域)。布置有电荷保持部MEM的活性区域包括第二导电型的半导体区域(第六半导体区域)。
为了降低电荷保持部MEM上的光入射率，在平面图中与半导体基板重叠的区域中布置遮光构件LS。
在遮光构件LS中，在平面图中与光电转换部PD重叠的区域中设置开口，并且还在与布置有用于提供驱动各晶体管的电位的连接部VIA的区域重叠的区域中设置开口。
在本典型实施例中，在共同的活性区域中形成复位晶体管RS和放大晶体管SF。具体地，在连续形成的活性区域中形成复位晶体管RS的沟道和放大晶体管SF的沟道。这里描述的共同的活性区域是指不通过诸如PN隔离和/或绝缘体隔离等的隔离部而隔离的区域。例如，如图4所示，在形成复位晶体管RS的沟道的活性区域周围布置作为绝缘体的隔离部STI。被隔离部STI包围的区域与共同的活性区域相对应。
如图4所示，活性区域包括作为第一晶体管的一部分和第二晶体管的一部分的部分区域U4。部分区域U4包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到第一区域并且在平面图中沿与第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域以及作为第二晶体管的一部分的、连接到第二区域并且在平面图中沿与第一方向相反的第三方向延伸的第三区域。如图4所示，在本典型实施例中，位于复位晶体管RS(第一晶体管)和放大晶体管SF(第二晶体管)之间的部分区域U4形成为在平面图中呈U形折叠。
在平面图中，多个像素10中的第一像素10的部分区域U4布置在第一像素10的第一晶体管的栅极和多个像素10中的与第一像素10相邻的第二像素10的电荷保持部MEM之间。第一像素10的部分区域U4布置在第一像素10的第二晶体管的栅极和第二像素的电荷保持部MEM之间。换句话说，在第一像素10的第一晶体管的栅极和第二像素10的电荷保持部MEM之间布置部分区域U4的一部分，并且在第一像素10的第二晶体管的栅极和第二像素的电荷保持部MEM之间布置部分区域U4的其它部分。
部分区域U4邻近第二像素10的电荷保持部MEM的更靠近第一像素的一侧(第一侧)布置。第一像素10的光电转换部PD邻近第一侧布置。
遮光构件LS设置于在平面图中与部分区域U4重叠的区域中。如图4所示，在复位晶体管RS和放大晶体管SF之间没有布置晶体管。也就是说，在部分区域U4中无需提供用于连接晶体管的接触插头，因此遮光构件LS在与部分区域U4重叠的区域中不设置开口。根据本典型实施例，在相邻像素10中包括的电荷保持部MEM和设置用于连接连接部VIA中的接触插头的开口之间布置遮光构件LS。因此，可以确保电荷保持部MEM和开口之间的距离，并且可以减少通过开口并入射到相邻电荷保持部MEM上的光量。
参考图4，在特定像素的光电转换部PD的同一侧上布置多个连接部VIA。例如，在共同的活性区域中形成复位晶体管RS、传送晶体管TX、浮动扩散部FD、放大晶体管SF和选择晶体管SL。因此，可以在控制遮光构件LS中形成的开口的数量的同时减少用于形成单个开口的区域。
图5是沿图4中的A-B线截取的截面图。在电荷保持在电荷保持部MEM中的时间段期间，当从光电转换部PD以外的遮光构件LS的开口进入的光所生成的电荷进入相邻像素10的电荷保持部MEM时，保持的电荷的量变化，并且变化导致噪声，从而导致图像质量下降。根据本典型实施例，确保布置有特定像素10的连接部VIA的开口和相邻像素10的电荷保持部MEM之间的距离，并且将遮光构件LS布置在位于开口和相邻像素10的电荷保持部MEM之间的部分区域U4中。这种结构使得电荷不太可能进入相邻像素10的电荷保持部MEM。
本典型实施例中的电荷保持部MEM包括保持区域51，该保持区域51包括第一导电型的N型半导体区域并且在第二传送晶体管TX接通前保持信号电荷。保持区域51夹在消耗控制区域53和表面保护区域52之间，表面保护区域52包括第二导电型的P型半导体区域。这种结构使得半导体基板表面上的晶体缺陷所生成的不期望的电荷不太可能进入电荷保持部MEM。
返回参考图4，布置在复位晶体管RS和放大晶体管SF之间的像素电源VDD的连接部VIA形成在复位晶体管RS和相邻像素10的电荷保持部MEM之间的位置处，并且与电荷保持部MEM充分分开。通常向像素电源VDD提供高电位，使得部分区域U4的第一半导区域保持在高电位。利用这种结构，由从开口进入的光所生成的不期望的电荷被第一半导体区域的部分区域U4吸收，这有效地控制不期望的电荷进入电荷保持部MEM的保持区域51。
如图5所示，遮光构件LS与在与相邻像素的电荷保持部MEM重叠的区域中布置的遮光构件LS连续。换句话说，遮光构件LS与同电荷保持部MEM重叠的其它遮光构件LS一体地形成。
遮光构件LS布置成使得从半导体基板的设置有复位晶体管RS的栅极的面(第一面)到遮光构件LS的上端的距离短于从第一面到连接到连接部VIA的接触插头的上端的距离。遮光构件LS布置在比与接触插头直接接触的线低且比半导体基板的第一面高的位置处。这种结构使得光不太可能进入遮光构件LS和半导体基板的面之间的空间。
期望从与特定像素的光电转换部PD以外的区域重叠的开口的更靠近电荷保持部MEM侧的一端到相邻像素10的电荷保持部MEM的保持区域51的更靠近特定像素10侧的一端的距离D1与开口以如下方式分开：距离D1是从半导体基板的布置有遮光构件LS的面到遮光构件LS的高度H1的至少十倍。这是足以使在开口中衍射的光在进入电荷保持部MEM之前衰减的足够长的距离。更期望的是，距离D1是高度H1的至少15倍。
本典型实施例中描述的结构使得不期望的电荷不太可能进入相邻像素100的电荷保持部MEM，这降低了噪声，从而提高了图像质量。
在图5所示的示例中，除其它之外，电荷保持部MEM具有注入型光电二极管的结构，但可以替代地具有例如半导体基板的第一面覆盖有栅极的晶体管型的结构。半导体基板和阱60的杂质区域的导电类型和结构以及隔离部STI的结构等可以根据需要改变。
如图4所示，仅为单个晶体管设置一个连接部VIA，但例如替代地可以为单个晶体管设置多个连接部VIA以降低电阻。在这种情况下，存在遮光构件LS中形成的开口的数量可能增加的可能性。因此，多个连接部VIA可以仅布置在远离电荷保持部MEM的区域中，或者可以根据需要选择其它结构。
在上述本典型实施例中，仅示出作为像素区域1中设置的像素的、被光入射的像素10(以下称为有效像素的像素)。然而，像素的布置不限于该示例。例如，还可以设置光电转换部PD被遮光的光学黑色像素。该光学黑色像素可被配置为利用图3所示的操作以与有效像素相同的定时进行全局快门操作。光学黑色像素可复位光电转换部PD，并以与有效像素不同的定时从光电转换部PD读取信号。来自光学黑色像素的信号可以检测光电转换部PD的暗电流分量。在像素区域1中还可以设置不包括光电转换部PD的空像素(dummy pixel)。可以通过使用来自空像素的信号来检测放大晶体管SF的噪声电平。
在本典型实施例中描述的全局快门操作中，不需要所有有效像素具有相同的信号累积时间段。例如，像素区域1被划分为多个区域，并且针对各个区域设置不同的信号累积时间段。在一个区域中包括的多个行和多个列中的像素10可以具有相同的信号累积时间段。
可以执行不从像素区域1的某些行中的像素10读取信号的间隔剔除操作。在进行了间隔剔除操作的像素10中，重置光电转换部PD和从光电转换部PD读取信号的定时可以与针对有效像素的定时不同。例如，可以在一帧时间段内连续复位光电转换部PD。即使在这种情况下，这种操作也包括在全局快门操作的类别中，只要多个行多个列中的除了被读取信号的像素10之外的像素10具有相同的信号累积时间段即可。
<变形例>
图6和7分别各自示出根据第一典型实施例的光电转换设备100的变形例。图6是光电转换设备100的平面图。图7是沿图6中的C-D线截取的截面图。
如在图4所示的结构中，采用包括作为复位晶体管RS的一部分和放大晶体管SF的一部分的部分区域U4的配置结构。在图6所示的结构中，相对图4的平面布置图改变用于向第一传送晶体管GS和第二传送晶体管TX等的栅极电极提供电位的连接部VIA的布置。在图6所示的结构中，各晶体管的连接部VIA布置在光电转换部PD的同一侧。包括放大晶体管SF和复位晶体管RS的各晶体管的连接部VIA布置在平面图中与单个开口O1重叠的区域中。结果，遮光构件LS中设置的开口O1可以布置在远离电荷保持部MEM的位置，并且可以控制向电荷保持部MEM的光进入。如图6和7所示，确保电荷保持部MEM与同一像素中的开口O1之间的距离D2，从而控制光的进入。此外，开口本身的面积可以通过设计该布置而减少。
在图6所示的结构中，用于与复位晶体管RS共享电位的连接部VIA、用于与放大晶体管SF共享电位的连接部VIA以及用于与第二传送晶体管TX共享电位的连接部VIA布置在平面图中与单个开口O1重叠的区域中。用于向第一传送晶体管GS提供电位的连接部VIA布置在平面图中与光电转换部PD重叠的区域中所布置的开口O2中。
从特定象素10中的开口O2的一端到同一象素10中的电荷保持部MEM的距离D3比从开口O1的一端到开口O2的一端的距离D4长。从特定象素10中的开口O1的一端到同一象素10中的电荷保持部MEM的距离D2比从开口O1的一端到开口O2的一端的距离D4长。因此，可以控制光进入同一像素10中的电荷保持部MEM和相邻像素10中的电荷保持部MEM。
本典型实施例中描述的结构使得光不太可能入射到相邻像素中的电荷保持部MEM和同一像素中的电荷保持部MEM上，这降低了噪声，从而提高了图像质量。
将描述本发明的第二典型实施例。将参考图8和9描述根据本典型实施例的光电转换设备。图8所示的像素区域的电路图与图2所示的第一典型实施例的电路图不同之处在于，添加了连接到浮动扩散部FD和复位晶体管RS各自的电容添加晶体管(capacitanceaddition transistor)AD(第三晶体管)。
电容添加晶体管AD主要用于增加光电转换设备100的动态范围。电容添加晶体管AD改变浮动扩散部FD的电容值。例如，当电容添加晶体管AD接通时，浮动扩散部FD的电容增加，并且即使在读取相同的电荷量的情况下，电位的变化也可以最小化。结果，可以处理更多的电荷，从而可以增加光电转换设备100的动态范围。
另一方面，随着光电转换设备100的各像素中包括的晶体管的数量增加，连接部VIA的数量也增加。这使得遮光构件LS的开口和相邻像素10的电荷保持部MEM彼此紧密接近，从而使得光更有可能进入电荷保持部MEM。
因此，如图9的平面布置图所示，在共同的活性区域中形成电容添加晶体管AD、复位晶体管RS、放大晶体管SF和选择晶体管SL。即，各晶体管形成在连续形成的活性区域中。设置作为复位晶体管RS的一部分和放大晶体管SF的一部分的部分区域U4，并且在平面图中与部分区域U4重叠的区域中布置遮光构件LS。
利用这种结构，即使第二典型实施例中的连接部VIA的数量大于第一典型实施例中的连接部VIA的数量，也可以确保遮光构件LS的开口和电荷保持部MEM之间的足够大的距离，从而可以减少光的进入。在开口和电荷保持部MEM之间布置具有高电位的第一半导体区域，从而使得不期望的电荷难以进入电荷保持部MEM。
本典型实施例中的上述结构控制光进入电荷保持部MEM并降低噪声，即使在添加了电容添加晶体管AD并且增加了各像素的组件数量的情况下也是如此。因此，可以提高图像质量。
下面将描述本发明的第三典型实施例。将参考图10和11描述根据本典型实施例的光电转换设备。图10所示的像素电路图与图2所示的第一典型实施例的电路图不同之处在于，单个像素包括多个光电转换部PDA和PDB以及多个电荷保持部MEMA和MEMB。采用多个电荷保持部MEMA和MEMB共享包括浮动扩散部FD和后续元件的电路元件的结构。为了提高光电转换设备100的分辨率，在提供多个光电转换部PD的情况下，可以减小各像素10的大小。在这种情况下，采用多个光电转换部PD共享包括浮动扩散部FD和后续元件的晶体管以减小各像素的读出电路30的布置面积的方法。
图11所示的平面布置图与图4所示的第一典型实施例的平面布置图不同之处在于，除了像素共享结构之外，活性区域的部分区域U4是放大晶体管SF的一部分和选择晶体管SL的一部分。不需要在放大晶体管SF和选择晶体管SL之间提供电位，因此不需要必须布置连接部VIA。另外，电位从像素电源VDD降低到大约与放大晶体管SF的操作阈值相对应的水平。因此，在相对高的电位更有可能捕获到不期望的电荷。因此，在电荷保持部MEM和开口之间布置放大晶体管SF和选择晶体管SL之间的活性区域的一部分，从而确保从电荷保持部MEM到开口的长距离，并控制不期望的电荷的进入。在部分区域U4的各端布置的晶体管不限于放大晶体管SF和选择晶体管SL，而是替代地可以是其它晶体管。
在本典型实施例中，还期望将遮光构件LS布置成使得距离D1是高度H1的至少十倍。这种结构使得能够使已经通过特定像素的开口并向相邻电荷保持部MEM行进的光在进入电荷保持部MEM之前衰减。更优选地，将遮光构件LS布置成使得距离D1是高度H1的至少15倍。
本典型实施例中描述的结构控制不期望的电荷进入电荷保持部MEM中，这降低了噪声，即使在各像素10的大小减小的情况下也是如此，从而提高了图像质量。
下面将描述本发明的第四典型实施例。图12示出根据本典型实施例的光电转换设备的截面图。根据第四典型实施例的光电转换设备100包括与图4所示的像素电路和电路结构相同的像素电路和电路结构。然而，根据本典型实施例的光电转换设备100与根据第一典型实施例的光电转换设备100的不同之处在于，光入射在与半导体基板的第一面相反的第二面上。根据本典型实施例的光电转换设备100与根据第一典型实施例的光电转换设备100不同之处还在于，在半导体基板的与连接接触插头的面相反的面的一侧上布置遮光构件70。遮光构件70在平面图中与光电转换部PD重叠的区域中设置有开口。
通过在遮光构件70中设置的使光入射到光电转换部PD上的开口的光可以包括不指向光电转换部PD而指向晶体管的光。在这种情况下，光可能在连接接触插头的布线层80上反射，并且可能入射到相邻的电荷保持部MEM上，这可能生成不期望的电荷。
根据本典型实施例，在布线层80上反射的光可被遮光构件LS反射，这使得光不太可能入射到电荷保持部MEM上。遮光构件LS与半导体基板之间的距离被设置为小于接触插头的长度，这使得光不太可能入射到遮光构件LS和半导体基板之间的空间上。此外，如图12所示，部分区域U4与电荷保持部MEM紧密接近布置的结构使得在电荷保持部MEM附近生成的电荷在部分区域U4中被吸收。因此，可以减少进入电荷保持部MEM的电荷量，并且可以防止图像质量的恶化。
由于本典型实施例中的与部分区域U4相关的结构与第一典型实施例中的结构相同，因此可以获得与第一典型实施例的效果相同的有利效果。本典型实施例可与第二和第三典型实施例结合。在这种情况下，可以获得与各个典型实施例相对应的有利效果。
将描述本发明的第五典型实施例。将参考图13描述根据本典型实施例的光电转换***。图13是示出根据本典型实施例的光电转换***的示意性结构的框图。根据第一至第四典型实施例的任一光电转换设备可以用作光电转换设备201。
图13示出作为光电转换***的示例的摄像***。摄像***的示例包括数字静态照相机、数字摄像机、监控照相机、复印机、传真机、手机、车载照相机和观测卫星。光电转换***不限于摄像***，而是替代地例如可以是测距传感器或测光传感器。典型的测距传感器是用于生成与到被摄体的距离有关的信息的传感器。测距传感器的示例包括飞行时间(TOF)传感器。典型的测光传感器是用来检测被摄体的亮度的传感器。
图13所示的光电转换***200包括光电转换设备201、在光电转换设备201上形成被摄体的光学图像的透镜202、改变通过透镜202的光量的光阑204和保护透镜202的防护件206。透镜202和光阑204是在光电转换设备201上收集光和聚光的光学***。作为第一至第四典型实施例中所描述的光电转换设备的示例的光电转换设备201，将由透镜202形成的光学图像转换为图像数据。
光电转换***200包括用于处理从光电转换设备201输出的输出信号的信号处理单元208。信号处理单元208进行用于将从光电转换设备201输出的模拟信号转换为数字信号的AD转换。另外，信号处理单元208根据需要进行各种校正和压缩操作，并输出图像数据。作为信号处理单元208的一部分的AD转换单元可以形成在设置有光电转换设备201的半导体基板上，或者可以形成在与设置有光电转换设备201的半导体基板不同的半导体基板上。光电转换设备201和信号处理单元208可以形成在同一半导体基板上。
光电转换***200还包括用于临时存储图像数据的存储器单元210和用于例如与外部计算机通信的外部接口(I/F)单元212。光电转换***200还包括用于记录或读取摄像数据的诸如半导体存储器等的记录介质214，以及用于在记录介质214上记录数据或从记录介质214读取数据的记录介质控制I/F单元216。记录介质214可以包含在光电转换***200中，或者可以可拆卸地附接到光电转换***200。
光电转换***200还包括总体控制/计算单元218和定时生成单元220，该总体控制/计算单元218控制数字静止照相机的各种计算和总体操作，该定时生成单元220将各种定时信号输出到光电转换设备201和信号处理单元208各自。在本示例中，定时信号可以从外部装置输入，并且光电转换***200可以至少包括光电转换设备201和处理从光电转换设备201输出的输出信号的信号处理单元208。
光电转换设备201将摄像信号输出到信号处理单元208。信号处理单元208对从光电转换设备201输出的摄像信号进行预定的信号处理，并输出图像数据。信号处理单元208使用摄像信号来生成图像。
根据上述典型实施例的光电转换设备的应用使得可以实现能够以高灵敏度稳定地获取具有大饱和度信号量的高质量图像的光电转换***。
将描述本发明的第六典型实施例。将参考图14A和14B描述根据本典型实施例的可移动体。
图14A示出与车载照相机300相关的光电转换设备的示例。光电转换设备310是根据上述第一至第四典型实施例的光电转换设备中的任一个。车载照相机300包括图像处理单元312和视差计算单元314，该图像处理单元312对光电转换设备310获取的多个图像数据进行图像处理，该视差计算单元314基于光电转换设备310获取的多个图像数据计算视差信息(视差图像的相位差)。车载照相机300包括距离测量单元316和碰撞判断单元318，该距离测量单元316基于计算出的视差计算到对象物的距离，该碰撞判断单元318基于计算出的距离判断是否可能发生碰撞。这里，视差计算单元314和距离测量单元316各自都是用于获取与到对象物的距离有关的信息的距离信息获取单元的示例。具体地，距离信息是与视差、散焦量和到对象物的距离等有关的信息。碰撞判断单元318可以使用任意一个距离信息来判断发生碰撞的可能性。距离信息获取单元可以由专门设计的硬件模块实现，或者可以由软件模块实现。可选地，距离信息获取单元可以通过现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)等实现，或者可以通过它们的组合实现。
包括光电转换设备310的车载照相机300连接到车辆信息获取设备320，从而可以获取诸如车速、横摆角速度(yaw rate)或方位角(rudder angle)等的车辆信息。包括光电转换设备310的车载照相机300连接到作为基于碰撞判断单元318获得的判断结果向车辆输出用于生成制动力的控制信号的控制装置的控制电子控制单元(ECU)330。光电转换设备310还连接到用于基于碰撞判断单元318获得的判断结果向驾驶员发出警告的警告设备340。例如，如果作为碰撞判断单元318判断的结果发生碰撞的可能性高，则控制ECU 330通过例如应用制动、按回加速器或控制发动机输出来进行控制操作，从而控制车辆以避免碰撞并减少损坏。警告设备340通过例如使用声音发出警报、在汽车导航***的画面上显示警告信息、或者对安全带或转向器施加振动来向用户发出警告。
在本典型实施例中，包括光电转换设备310的车载照相机300拍摄车辆的诸如前方区域和后方区域等的周围区域的图像。图14B示出当拍摄车辆的前侧(范围350)的图像时的车载照相机300。车辆信息获取设备320向光电转换设备310发送指示以进行预定操作。利用这种结构，可以提高测距的精度。
上述典型实施例示出进行控制操作以防止车辆与其它车辆碰撞的示例。本发明还适用于自动操作以跟随其它车辆的控制操作以及自动操作以防止车辆从车道漂移的控制操作等。另外，光电转换设备不限于诸如汽车等的车辆。例如，光电转换设备也适用于诸如船舶、飞机等的移动体(移动设备)，并且也可以应用工业机器人。另外，光电转换设备不限于移动体，并且广泛适用于使用物体识别的设备。设备的示例包括智能交通***(ITS)。
<变形典型实施例>
本发明不限于上述典型实施例，并且可以以各种方式变形。例如，将根据任一典型实施例的结构的一部分添加到根据其它典型实施例的结构的示例，以及将根据任一典型实施例的结构的一部分替换为根据其它典型实施例的结构的一部分的示例也被视为本发明的典型实施例。
上述典型实施例仅是执行本发明的具体示例，并且本发明的技术范围不应以受限的方式解释。即，在不偏离本发明的技术思想或主要特征的情况下，可以以各种形式执行本发明。
根据本发明的方面，可以提供使得光不太可能入射到电荷保持部MEM上的光电转换设备。
虽然已经参考典型实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的典型实施例。以下权利要求的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。

Claims (13)

1.一种光电转换设备，包括：
多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部、以及第一晶体管和第二晶体管，其中所述电荷保持部布置于在平面图中不与所述光电转换部重叠的区域中并且被配置为保持所述光电转换部中所生成的电荷，电荷从所述电荷保持部传送至所述浮动扩散部，所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在共同的活性区域中，
其中，所述活性区域包括作为所述第一晶体管的一部分和所述第二晶体管的一部分的部分区域，
其中，所述部分区域包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到所述第一区域并且在平面图中沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域、以及连接到所述第二区域并且在平面图中沿与所述第一方向相反的第三方向延伸的第三区域，所述第三区域是所述第二晶体管的一部分，
其中，在平面图中，所述多个像素中的第一像素的所述部分区域布置在所述第一像素的第一晶体管的栅极和所述多个像素中的与所述第一像素相邻的第二像素的电荷保持部之间，并且布置在所述第一像素的第二晶体管的栅极和所述第二像素的电荷保持部之间，
其中，所述第一晶体管是复位晶体管，
其中，所述第二晶体管是放大晶体管，以及
其中，在平面图中与所述部分区域重叠的区域中布置遮光构件。
2.一种光电转换设备，包括：
多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部、以及第一晶体管和第二晶体管，其中所述电荷保持部布置于在平面图中不与所述光电转换部重叠的区域中并且被配置为保持所述光电转换部中所生成的电荷，电荷从所述电荷保持部被传送至所述浮动扩散部，所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在共同的活性区域中，
其中，所述活性区域包括作为所述第一晶体管的一部分和所述第二晶体管的一部分的部分区域，
其中，所述部分区域包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到所述第一区域并且在平面图中沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域、以及连接到所述第二区域并且在平面图中沿与所述第一方向相反的第三方向延伸的第三区域，所述第三区域是所述第二晶体管的一部分，
其中，在平面图中，所述多个像素中的第一像素的所述部分区域布置在所述第一像素的第一晶体管的栅极和所述多个像素中的与所述第一像素相邻的第二像素的电荷保持部之间，并且布置在所述第一像素的第二晶体管的栅极和所述第二像素的电荷保持部之间，
其中，在平面图中与所述部分区域重叠的区域中布置遮光构件，以及
其中，所述遮光构件与在与所述第二像素的电荷保持部重叠的区域中布置的遮光构件连续。
3.一种光电转换设备，包括：
多个像素，各像素包括光电转换部、电荷保持部、浮动扩散部、第一晶体管和第二晶体管、以及第三晶体管，其中所述电荷保持部布置于在平面图中不与所述光电转换部重叠的区域中并且被配置为保持所述光电转换部中所生成的电荷，电荷从所述电荷保持部被传送至所述浮动扩散部，所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在共同的活性区域中，所述第三晶体管连接到所述浮动扩散部并且被配置为改变所述浮动扩散部的电容值，
其中，所述活性区域包括作为所述第一晶体管的一部分和所述第二晶体管的一部分的部分区域，
其中，所述部分区域包括在平面图中沿第一方向延伸的第一区域、连接到所述第一区域并且在平面图中沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二区域、以及连接到所述第二区域并且在平面图中沿与所述第一方向相反的第三方向延伸的第三区域，所述第三区域是所述第二晶体管的一部分，
其中，在平面图中，所述多个像素中的第一像素的所述部分区域布置在所述第一像素的第一晶体管的栅极和所述多个像素中的与所述第一像素相邻的第二像素的电荷保持部之间，并且布置在所述第一像素的第二晶体管的栅极和所述第二像素的电荷保持部之间，
其中，在平面图中与所述部分区域重叠的区域中布置遮光构件。
4.根据权利要求1所述的光电转换设备，还包括连接到所述第一晶体管的第一接触插头和连接到所述第二晶体管的第二接触插头，
其中，所述遮光构件包括在平面图中与所述第一接触插头和所述第二接触插头均重叠的区域中的开口。
5.根据权利要求2所述的光电转换设备，还包括连接到所述第一晶体管的第一接触插头和连接到所述第二晶体管的第二接触插头，
其中，所述遮光构件包括在平面图中与所述第一接触插头和所述第二接触插头均重叠的区域中的开口。
6.根据权利要求3所述的光电转换设备，还包括连接到所述第一晶体管的第一接触插头和连接到所述第二晶体管的第二接触插头，
其中，所述遮光构件包括在平面图中与所述第一接触插头和所述第二接触插头均重叠的区域中的开口。
7.根据权利要求4所述的光电转换设备，
其中，所述光电转换部、所述电荷保持部、所述浮动扩散部、所述第一晶体管的沟道和所述第二晶体管的沟道包括在半导体基板中，
其中，所述第一晶体管的栅极布置在所述半导体基板的第一面上，
其中，所述遮光构件布置在所述半导体基板的所述第一面的一侧上，以及
其中，在平面图中从所述开口到所述第二像素的电荷保持部的距离是从所述遮光构件到所述半导体基板的所述第一面的距离的至少15倍。
8.根据权利要求5所述的光电转换设备，
其中，所述光电转换部、所述电荷保持部、所述浮动扩散部、所述第一晶体管的沟道和所述第二晶体管的沟道包括在半导体基板中，
其中，所述第一晶体管的栅极布置在所述半导体基板的第一面上，
其中，所述遮光构件布置在所述半导体基板的所述第一面的一侧上，以及
其中，在平面图中从所述开口到所述第二像素的电荷保持部的距离是从所述遮光构件到所述半导体基板的所述第一面的距离的至少15倍。
9.根据权利要求6所述的光电转换设备，
其中，所述光电转换部、所述电荷保持部、所述浮动扩散部、所述第一晶体管的沟道和所述第二晶体管的沟道包括在半导体基板中，
其中，所述第一晶体管的栅极布置在所述半导体基板的第一面上，
其中，所述遮光构件布置在所述半导体基板的所述第一面的一侧上，以及
其中，在平面图中从所述开口到所述第二像素的电荷保持部的距离是从所述遮光构件到所述半导体基板的所述第一面的距离的至少15倍。
10.根据权利要求4所述的光电转换设备，
其中，所述多个像素各自包括选择晶体管，以及
其中，所述遮光构件的开口布置在平面图中与连接到所述选择晶体管的第三接触插头重叠的区域中。
11.根据权利要求10所述的光电转换设备，其中，所述第一接触插头、所述第二接触插头和所述第三接触插头布置在与单个的所述开口重叠的区域中。
12.一种光电转换***，包括：
根据权利要求1至11中任一项所述的光电转换设备；以及
处理设备，其被配置为处理来自所述光电转换设备的信号。
13.一种可移动体，包括：
根据权利要求1至11中任一项所述的光电转换设备；
距离信息获取单元，其被配置为根据基于来自所述光电转换设备的信号的视差信息来获取与到对象物的距离有关的距离信息；以及
控制单元，其被配置为基于所述距离信息控制所述可移动体。
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